专利名称：一种激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法
技术领域：
本发明涉及一种修复连铸结晶器的方法，尤其涉及一种激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法。
背景技术：
连铸结晶器是一个强制水冷的无底钢锭模，主要由导热性非常好的铜或铜合金做内衬，外面套有夹套通水冷却，使高温钢液逐渐冷却凝固并在尽可能高的拉速下，形成所需规格、形状以及厚度均匀的铸坯。因此，连铸结晶器是连铸机非常重要的部件，被称之为连铸设备的“心脏”，其质量好坏对连铸生产和铸坯质量都有很大的影响。随着连铸向高效化发展，连铸结晶器的使用寿命成为制约连铸生产的一项重要因素。对连铸结晶器进行修复，延长其使用寿命，对提高连浇率，保证铸坯质量，以及提高企业的技术经济效率具有十分重要的意义。修复连铸结晶器常规的方法有电镀硬铬(李虹.连·铸方坯结晶器电镀硬铬的工艺，材料保护，2001，34 (5) :55)、等离子喷涂NiCr-Cr3C2涂层(陈健，刘雪飘，梁欢.结晶器铬锆铜板表面等离子喷涂镍铬一碳化铬涂层的研究，材料导报，2010，11 (24) :525 — 528)与激光熔覆镍基涂层(刑飞，侯丹辉，张翼飞，宫铭辉.一种结晶器表面激光熔覆的合金涂层及其制备方法，中国发明专利，200810012662)等。其中，电镀层厚度较薄(一般小于O. 3mm),与连铸结晶器形成结合力差的化学性结合；等离子喷涂层孔隙率高，与连铸结晶器之间呈机械性结合，服役一段时间后易剥落；尽管激光熔覆镍基涂层与连铸结晶器之间形成了结合强度高的冶金结合，但连铸结晶器对激光反射率高导致激光熔覆效率低，涂层易开裂。近年来，可以在高效率条件下，将涂层内的热应力降低到最小程度，从而制备高性能的无裂纹涂层的激光一感应复合熔覆技术(Shengfeng Zhou, Yongjun Huang, XiaoyanZeng. Microstructure characteristics of Ni-based WC composite coatings by laserinduction hybrid rapid cladding. Materials Science and Engineering: A，2008，480(I - 2):564 - 572)引起了人们的广泛兴趣。但是，关于采用激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法并未见文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法。本发明所用的专用铜基合金粉末流动性好，与连铸结晶器具有十分优异的相容性与润湿性以及相近的热物理性能；在激光一感应复合熔覆修复之前，对连铸结晶器破损部位进行电镀镍或化学镀镍处理，提高连铸结晶器对激光束能量的吸收率；采用激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器，不但可以提高连铸结晶器对激光束能量的利用率，也可以减小熔覆过程中的温度梯度，消除涂层中的气孔与裂纹等冶金缺陷，从而大幅度提高熔覆效率以及改善涂层的耐磨、耐腐与抗疲劳性能。因此，采用该方法修复连铸结晶器具有常规修复方法无法比拟的优势。
本发明是这样来实现的，其方法与步骤为
(1)将专用铜基合金粉末放置于自动送粉器的装料斗内，对连铸结晶器破损部位进行除油、除锈、挖除裂纹或划伤、活化与电镀镍或化学镀镍处理；从而提高连铸结晶器破损部位对激光束能量的吸收率；
(2)将高频感应加热线圈与连铸结晶器破损部位之间的距离控制在2 15mm内，调节感应加热功率，使连铸结晶器的破损部位被感应加热的温度为20(T90(TC，同时利用铜管对感 应加热区吹入Ar气；
(3)将CO2激光器产生的激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将专用铜基合金粉末吹入激光一感应复合熔覆热源形成的熔池内，当激光一感应复合熔覆热源移开后，熔融的铜基合金粉末快速凝固结晶形成修复铜基合金涂层。其中，粉末喷嘴与连铸结晶器破损部位电镀镍层表面法向间的夹角为37 45°，粉末喷嘴与连铸结晶器破损部位电镀镍层垂直距离为12 20 mm；
(4)当激光一感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的3(Γ70% ；
(5)检测修复铜基合金涂层的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΛΖ，该距离ΛΖ为上一铜基合金涂层的厚度，然后重复步骤(2) —(4)，直到修复铜基合金涂层达到所要求的厚度；
(6 )对修复铜基合金涂层表面进行铣削与磨光，获得所要求的表面光洁度及尺寸精度。本发明所述的合金粉末为专用铜基合金粉末，其化学成分为(按质量百分含量计算):Ni 7 9 wt. %，Sn 8 12 wt. %，Al 5 15 wt. %，Si O. 8 2%，余量为 Cu。本发明在进行所述步骤(I)时，对连铸结晶器破损部位进行电镀或化学镀镍处理，电镀镍配方为NiSO4 · 7H20 250 350 g/1, NiCl2 · 6H20 50 70 g/1, H3BO3 35 40 g/min，pH值为2 4，温度55 65°C，电流密度40(T500A/m2 ;化学镀镍配方为=NiSO4 · 7H20
15 30 g/1 ,NaH2PO2 · H2O 25 40 g/1，Na3C6H5O7 · 2H20 8 15 g/1，NH4Cl 20^40 g/1, pH值为flO ；电镀或化学镀镍厚度为3 20 μ m。本发明所述的连铸结晶器进行多道多层激光一感应复合熔覆修复处理，第一层激光一感应复合熔覆修复工艺参数为激光功率为O. 5 2 kW，光斑直径为:Γ5 _，感应加热功率为4(T50 kW，感应加热频率为80 kHz，激光扫描速度为100(T2500 mm/min，感应加热的温度为80(T90(TC，送粉率为8(Tl00 g/min ;第二层及更多层时激光一感应复合熔覆修复工艺参数为激光功率为疒3 kW;光斑直径为:Γ5 mm;感应加热功率为3(T40 kW ;感应加热频率为80 kHz ;激光扫描速度为300(T5000 mm/min ;感应加热的温度为60(T800°C，送粉率为120^150 g/minο本发明的优点是(1)对连铸结晶器破损部位进行激光一感应复合熔覆专用铜基合金粉末修复处理，修复涂层与连铸结晶器均为铜基合金，具有相近的热物理性能。(2)连铸结晶器破损部位进行电镀镍或化学镀镍以及感应加热后，大幅度提高了结晶器对激光束能量的吸收率，从而可以在熔覆效率提高I飞倍的条件下，在连铸结晶器破损部位获得无气孔与裂纹、与连铸结晶器呈冶金结合的修复涂层。(3)采用该方法对连铸结晶器进行激光一感应复合熔覆修复处理，修复涂层的厚度可控，稀释率低、显微组织细小且致密，具有优异的耐磨、耐蚀与耐疲劳性能，服役寿命可以提高约2飞倍。
图I激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器装置示意图。图2连铸结晶器典型破损部位示意图。图3连铸结晶器典型破损部位电镀镍或化学镀镍宏观结构示意图。图4激光熔覆一感应复合熔覆修复连铸结晶器典型破损部位的宏观示意图。图5激光熔覆一感应复合熔覆修复连铸结晶器典型破损部位经机械加工后的宏观示意图。
具体实施例方式实施例I
连铸结晶器的化学成分为=Cr O. 5 I. 5 wt. %, Zr O. 08 O. 3 wt. %，余量为Cu，连铸结晶器破损部位的尺寸为100mmX50mmX30 mm (长X宽X高)，采用激光一感应复合熔覆修复的具体实施过程如图I、图2、图3、图4与图5所示
(1)采用专用铜基合金粉末8进行激光感应复合熔覆修复处理，其化学成分为Ni8wt. %, Sn 8.5 wt. %，Al 7 wt. %，Si 0.8 wt. %，余量为 Cu，其平均粒径为 65 μ m，然后装入自动送粉器9的装料斗7内；
(2)将连铸结晶器14破损部位的表面进行除锈、除油与表面活化处理，采用电镀的方法在其表面电镀一层厚度为8 μ m的镍合金19。其中，电镀镍配方为=NiSO4 ·7Η20 280 g/1，NiCl2 · 6H20 55 g/1, H3BO3 37 g/min, pH 值为 2· 5，温度 58°C，电流密度 420A/m2 ；
(2)将连铸结晶器14与安装有专用导磁体16的感应加热线圈10之间的距离调整为5mm,通入电流至感应加热线圈10,并利用计算机I调节感应加热电源12的感应加热功率,使连铸结晶器14的破损部位被感应加热线圈10加热的温度为65(T750°C，同时利用铜管18应加热区11吹入氩气作为保护气体，防止感应加热区11氧化；
(3)CO2激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦镜5形成光斑直径为3 mm的圆形光斑,然后将圆形光斑与自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用矩形粉末喷嘴6将专用铜基合金粉末8吹入激光一感应复合熔覆热源形成的熔池17内，专用铜基合金粉末8在熔池17内发生熔化并在连铸结晶器14的破损部位电镀镍层19的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成修复铜基涂层15。其中，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19表面法向间的夹角为37°，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19垂直距离为15 mm ；
(4)当激光一感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为2. 4 _。另外，在激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器14的过程中，第一层的工艺参数为激光功率为I. 5 kW，感应加热功率为45 kW，感应加热频率为80 kHz，激光扫描速度为2500 mm/min，感应加热的温度为750°C，送粉率为85 g/min ;第二层及更多层时激光一感应复合熔覆修复工艺参数为激光功率为2. 5 kW，感应加热功率为30 kff ;感应加热频率为80 kHz ;激光扫描速度为4000 mm/min ;感应加热的温度为650°C，送粉率为130g/min。
(5)检测修复铜基合金涂层15的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΛΖ，该距离ΛΖ为上一铜基合金涂层的厚度，然后重复步骤(2) - (4)，直到修复铜基合金涂层15达到所要求的厚度；
(6)对修复铜基涂层15表面进行铣削与磨光，获得所要求的表面光洁度，其硬度达250
HRB。实施例2
连铸结晶器的化学成分为Co 2·0 3·0 wt. %, Be O. 2 O. 8 wt. %, Ni O. Γθ. 4 wt. %, Fe
O.2 O. 5余量为Cu，连铸结晶器破损部位的尺寸为90mmX60mmX25 mm (长X宽X高)，采用激光一感应复合熔覆修复的具体实施过程如图I、图2、图3、图4与图5所示
(1)采用专用铜基合金粉末8进行激光感应复合熔覆修复处理，其化学成分为Ni9wt. %，Sn 8 wt. %，Al 12 wt. %，Si I. 2 wt. %，余量为Cu，其平均粒径为40 μ m,然后装入自动送粉器9的装料斗7内；
(2)将连铸结晶器14破损部位的表面进行除锈、除油与表面活化处理，采用电镀的方法在其表面电镀一层厚度为12 μ m的镍合金19。其中，化学镀镍配方为=NiSO4 ·7Η20 20g/1，NaH2PO2 · H2O 30 g/1，Na3C6H507 · 2H20 12 g/1, NH4Cl 25 g/1，pH 值为 8;
(2)将连铸结晶器14与安装有专用导磁体16的感应加热线圈10之间的距离调整为5mm,通入电流至感应加热线圈10,并利用计算机I调节感应加热电源12的感应加热功率,使连铸结晶器14的破损部位被感应加热线圈10加热的温度为70(T80(TC，同时利用铜管18应加热区11吹入氩气作为保护气体，防止感应加热区11氧化；
(3)CO2激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦镜5形成光斑直径为4 mm的圆形光斑,然后将圆形光斑与自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用矩形粉末喷嘴6将专用铜基合金粉末8吹入激光一感应复合熔覆热源形成的熔池17内，专用铜基合金粉末8在熔池17内发生熔化并在连铸结晶器14的破损部位电镀镍层19的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成修复铜基涂层15。其中，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19表面法向间的夹角为45°，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19垂直距离为18 mm ；
(4)当激光一感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为2. 4 _。另外，在激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器14的过程中，第一层的工艺参数为激光功率为1.8 kW，感应加热功率为45 kW，感应加热频率为80 kHz，激光扫描速度为2200 mm/min，感应加热的温度为800°C，送粉率为92 g/min ;第二层及更多层时激光一感应复合熔覆修复工艺参数为激光功率为2. 7 kW，感应加热功率为35 kff ;感应加热频率为80 kHz ;激光扫描速度为4200 mm/min ;感应加热的温度为700°C，送粉率为140g/min。(5)检测修复铜基合金涂层15的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΛΖ，该距离ΛΖ为上一铜基合金涂层的厚度，然后重复步骤
(2)- (4)，直到修复铜基合金涂层15达到所要求的厚度；
(6)对修复铜基涂层15表面进行铣削与磨光，获得所要求的表面光洁度，其硬度达265
HRB。
实施例3
连铸结晶器的化学成分为Cr O. 3 I. O wt. %，Zr O. Γθ. 5 wt. %，Fe O. 2 O. 6 wt. %，Ti O. Γθ. 3 wt.%， 余量为Cu，连铸结晶器破损部位的尺寸为100_X50_X30 mm (长X宽X高)，采用激光一感应复合熔覆修复的具体实施过程如图I、图2、图3与图4所示
(1)采用专用铜基合金粉末8进行激光感应复合熔覆修复处理，其化学成分为Ni8.7wt. %，Sn 8 wt. %，Al 14. 6 wt. %，Si I. 8 wt. %，余量为 Cu,其平均粒径为 60 μ m,然后装入自动送粉器9的装料斗7内；
(2)将连铸结晶器14破损部位的表面进行除锈、除油与表面活化处理，采用电镀的方法在其表面电镀一层厚度为15 μ m的镍合金19。其中，电镀镍配方为=NiSO4 · 7H20 320g/1，NiCl2 ·6Η20 68 g/1, H3BO3 40 g/min，pH 值为 3· 5，温度 65°C，电流密度 480A/m2 ;
(2)将连铸结晶器14与安装有专用导磁体16的感应加热线圈10之间的距离调整为5mm,通入电流至感应加热线圈10,并利用计算机I调节感应加热电源12的感应加热功率,使连铸结晶器14的破损部位被感应加热线圈10加热的温度为75(T900°C，同时利用铜管18应加热区11吹入氩气作为保护气体，防止感应加热区11氧化；
(3)C02激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到位于激光头4内的聚焦镜5形成光斑直径为3. 5 mm的圆形光斑,然后将圆形光斑与自动送粉器9的粉末喷嘴6定位于感应加热区11内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用矩形粉末喷嘴6将专用铜基合金粉末8吹入激光一感应复合熔覆热源形成的熔池17内，专用铜基合金粉末8在熔池17内发生熔化并在连铸结晶器14的破损部位电镀镍层19的表面铺开，当激光束与感应加热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成修复铜基涂层15。其中，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19表面法向间的夹角为37°，粉末喷嘴6与连铸结晶器14破损部位电镀镍层19垂直距离为18 mm ；
(4)当激光一感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为2 _。另外，在激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器14的过程中，第一层的工艺参数为激光功率为2 kW，感应加热功率为50 kW，感应加热频率为80 kHz，激光扫描速度为2500 mm/min，感应加热的温度为900°C，送粉率为100 g/min ;第二层及更多层时激光一感应复合熔覆修复工艺参数为激光功率为3 kW，感应加热功率为35 kff ;感应加热频率为80 kHz ;激光扫描速度为4800 mm/min ;感应加热的温度为750°C，送粉率为140 g/min。(5)检测修复铜基合金涂层15的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΛΖ，该距离ΛΖ为上一铜基合金涂层的厚度，然后重复步骤
(2)- (4)，直到修复铜基合金涂层15达到所要求的厚度；
(6)对修复铜基涂层15表面进行铣削与磨光，获得所要求的表面光洁度，其硬度达280
HRB。
权利要求
1.一种激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法，其特征是方法与步骤为 (1)将专用铜基合金粉末放置于自动送粉器的装料斗内，对连铸结晶器破损部位进行除油、除锈、挖除裂纹或划伤、活化与电镀镍或化学镀镍处理；从而提高连铸结晶器破损部位对激光束能量的吸收率； (2)将高频感应加热线圈与连铸结晶器破损部位之间的距离控制在2 15mm内，调节感应加热功率，使连铸结晶器的破损部位被感应加热的温度为20(T90(TC，同时利用铜管对感应加热区吹入Ar气； (3)将CO2激光器产生的激光束与自动送粉器的粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合；利用粉末喷嘴将专用铜基合金粉末吹入激光一感应复合熔覆热源形成的熔池内，当激光一感应复合熔覆热源移开后，熔融的铜基合金粉末快速凝固结晶形成修复铜基合金涂层，其中，粉末喷嘴与连铸结晶器破损部位电镀镍层或化学镀镍层表面法向间的夹角为37 45°，粉末喷嘴与连铸结晶器破损部位电镀镍层或化学镀镍层垂直距离为12 20 mm ； (4)当激光一感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的3(Γ70% ； (5)检测修复铜基合金涂层的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΛΖ，该距离ΛΖ为上一铜基合金涂层的厚度，然后重复步骤(2) —(4)，直到修复铜基合金涂层达到所要求的厚度； (6 )对修复铜基合金涂层表面进行铣削与磨光，获得所要求的表面光洁度及尺寸精度。
2.根据权利要求I所述的一种激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法，其特征在于所用合金粉末为专用铜基合金粉末，其化学成分为按质量百分含量计算Ni 7、wt. %,Sn 8 12 wt. %, Al 5 15 wt. %, Si O. 8 2%，余量为 Cu。
3.根据权利要求I所述的一种激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法，其特征在于对连铸结晶器破损部位进行电镀镍或化学镀镍处理，电镀镍配方为=NiSO4 · 7H20250 350 g/1，NiCl2 ·6Η20 50^70 g/1, H3BO3 35 40 g/min，pH 值为 2 4，温度 55 65°C，电流密度 40(T500A/m2 ;化学镀镍配方为NiSO4 · 7H20 15 30 g/1，NaH2PO2 · H2O 25 40g/1, Na3C6H5O7 · 2H20 8^15 g/1, NH4Cl 2(T40 g/1, pH 值为 8 10 ；电镀镍或化学镀镍厚度为3 20 μ m。
4.根据权利要求I所述的一种激光一感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法，其特征是在于对连铸结晶器破损部位进行多道多层激光一感应复合熔覆修复处理，第一层激光一感应复合熔覆修复工艺参数为激光功率为O. 5 2 kW，光斑直径为:Γ5 mm，感应加热功率为40^50 kW，感应加热频率为80 kHz，激光扫描速度为100(T2500 mm/min，感应加热温度为80(T900°C，送粉率为8(Tl00 g/min ;第二层及更多层时激光一感应复合熔覆修复工艺参数为激光功率为2 3 kW;光斑直径为:Γ5 mm;感应加热功率为3(T40 kW;感应加热频率为80kHz ;激光扫描速度为3000 5000 mm/min ;感应加热的温度为60(T800°C，送粉率为120 150g/min。
全文摘要
一种激光－感应复合熔覆修复连铸结晶器的方法，该方法的特点是首先，对连铸结晶器的破损部位进行除油、除锈、挖除裂纹或划伤、活化与电镀镍或化学镀镍处理；然后，采用激光－感应复合熔覆专用铜基合金粉末对连铸结晶器的破损部位进行修复，使用的专用铜基合金粉末的化学成分为Ni 7～9wt.%，Sn 8～12wt.%，Al 5～15wt.%，Si 0.8～2%，余量为Cu。本发明可以在熔覆效率提高1～5倍的条件下，对连铸结晶器的破损部位进行激光－感应复合熔覆修复处理，克服了传统连铸结晶器修复涂层厚度薄、易剥落、导热率低的难题。
文档编号B22D11/057GK102909325SQ20121044953
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月12日 优先权日2012年11月12日
发明者周圣丰, 戴晓琴, 吴超, 张天佑 申请人:南昌航空大学